提高光催化性能的新型铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅分层纳米结构与磁性可恢复性

文摘

磁性铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料与小说分级利用溶胶-凝胶法和水热法合成了纳米结构的方法和通过扫描电子显微镜(SEM), x射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、x射线光电子能谱(XPS)和紫外可见漫反射光谱(紫外可见DRS)。发现铁的引入₃O₄@SiO₂可以将Bi的形态吗₂SiO₅与织物结构密实平板空心分层体系结构。的铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅综合显示增强的光降解活性艳红色染料的降解效率(X-3B)水溶液在模拟太阳光照射下,相比与商业P25。此外,铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料表现出良好的磁可恢复性和优良的光催化稳定循环测试后(没有明显活动损失)。

1。介绍

光催化作用已被广泛用于降解许多有机污染物(1,2]。在光催化过程中,光催化材料在实现其实际应用起到至关重要的作用。最近,bismuth-based催化剂得到了广泛报道由于其优异的光催化性能,比如Bi₂地理₅(3),Bi₂MoO₆(4,5),Bi₂我们₆(6),和Bi₂SiO₅(7]。Bi₂SiO₅的家庭,由两个(Bi的交互₂O₂)^{2 +}层和(SiO₃)²⁻辉石层之间插入(Bi₂O₂)^{2 +}层。(Bi₂O₂)^{2 +}层是由飞机稍微扭曲的平方氧气。这些方块限制或者上方和下方的铋原子。SiO的扭曲的特征₄四面体可能有利于分裂photogenerated电子和空穴。因此,良好的光催化活性的Bi₂SiO₅应该会8,9]。

然而,催化剂通常用作悬浮光催化过程。一些流程暂停催化剂分离是必要的,如离心和过滤。这些分离过程中,催化剂的一些损失是主要的缺点。为了克服这个问题,固定催化剂的各种轻易获得的材料包括玻璃珠(10)、玻璃纤维(11),和陶瓷板(12研究了。然而,这些方法导致的光催化效率明显降低,因为减少表面积的催化剂涂层的支持。因此,有效去除纳米催化剂粉末处理过的水悬架是一个挑战的复苏的催化剂。

众所周知,磁性材料可以很容易地恢复通过应用磁场(13,14]。因此,如果光催化剂包含磁性材料、光催化剂的回收水系统通过应用外部磁场是有吸引力的商业应用程序。一般而言,磁性催化剂主要由催化剂涂层,惯性层(SiO₂或铝₂O₃(Fe),磁芯材料₃O₄)[15,16]。惯性层(SiO₂或铝₂O₃)起着关键作用,以避免photodissolution磁芯材料的现象,这是一个电子之间的相互作用的催化剂涂层和磁芯。

在此,磁性铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅与分层纳米结构复合材料制造的改进光催化性能和简单的分离。X-3B常见污染物的工业废水,被选为测试物质评估准备的催化剂的光催化性能。不仅引人注目,和复合材料表现出优异的光催化活性的退化X-3B也很容易回收通过外部磁场。

2。实验部分

2.1。试剂和材料

Bi(不₃)₃h·5₂O, FeCl₃h·6₂O,乙二醇,在北半球₃·H₂啊,原硅酸四乙酯(teo)、活性艳红色X-3B染料(X-3B)和Na₂SiO₃h·9₂O是购自天津化学试剂公司。所有这些试剂的基于“增大化现实”技术等级,使用前未经纯化。

2.2。准备样品

2.2.1。制备铁₃O₄

典型的合成过程如下:0.1 FeCl₃h·6₂啊,0.8 M醋酸钠,和0.09 M柠檬酸钠分散在60毫升乙二醇在室温下用电磁搅拌器1 h。取得时的混合物被转移到Teflon-lined不锈钢高压釜的容量100毫升,然后加热在200°C 12 h。最终产品收集磁铁,用去离子水和无水乙醇洗净几次然后干60°C 3 h在空气中。

2.2.2。制备铁₃O₄@SiO₂

首先,0.75 g菲₃O₄基于redispersed成170毫升乙醇。混合物是由声波降解法均质后20分钟加1毫升氢氧化铵(NH)₃·H₂O)。在那之后,取得时的混合物是积极与机械搅拌器搅拌30分钟30°C;然后,1.0毫升原硅酸四乙酯(teo)是一滴一滴地引入解决方案。最终产品是由外部磁场。

2.2.3。Praparation的铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅

在一个典型的过程(7),所需的大量的铁₃O₄@SiO₂基于(0、0.05、0.1、0.2和0.3 g)是分散在75毫升去离子水超声破碎法20分钟。然后,0.05 Bi(没有₃)₃h·5₂O和0.025 Na₂SiO₃h·9₂被添加到上面的暂停。溶液的pH值是通过添加NH调整到9₃·H₂o .超声破碎法30分钟后,混合物被转移到Teflon-lined不锈钢高压釜然后加热在180°C 48 h。最后,高压釜是自然冷却到室温。收集产品和去离子水和无水乙醇清洗几次然后干在80°C 6 h。样品贴上BSO-0, bso - 0.05, bso - 0.1, bso - 0.2, bso - 0.3。此外,纯Bi₂SiO₅供参考也没有菲准备使用相同的方法₃O₄@SiO₂纳米颗粒。

2.3。特征

样品的形态显示使用扫描电子显微镜(SEM)地产6460 lv仪器(JEOL有限公司)在20 kV和配备了一个能量色散x射线分析仪(凤凰有限公司)。适用于样品的x射线衍射(XRD)分析了在6100年日本岛津公司XRD衍射仪(日本岛津公司有限公司)在40 kV和40 mA铜Ka辐射。傅里叶变换红外光谱(FTIR)日本岛津公司的产品记录IRAffinity-1(日本岛津公司有限公司)的一项决议4厘米⁻¹。x射线光电子能谱(XPS)测量了VGESCALAB 250光谱仪(ThermoFisher科学)配备了全色盲者Al-Ka辐射源(1486.6 eV)。紫外可见漫反射光谱被记录在卡里- 100光谱仪(瓦里安有限公司)和贝索₄被用作反射标准。

2.4。光催化活性的测量

准备的催化剂催化活性的被测量的降解率估计X-3B (40 mg / L)阳光下在水溶液中。0.1 g的光催化剂添加石英反应器包含100毫升染料溶液与空气搅拌。采用400 W氙灯模拟太阳光。退化的过程中,一定体积下的悬架是采样间隔20分钟,然后立即离心去除粒子。溶液的吸光度测定的紫外- 1800电脑分光光度计在538 nm (MAPADA,中国),和降解率()X-3B计算通过以下表达式: 在这吸光度X-3B初始解和是X-3B溶液的吸光度。

3所示。结果与讨论

铁的扫描电镜图像₃O₄@SiO₂和菲₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料在图所示1。如图1(一),菲₃O₄@SiO₂粒子是球形统一大小,平均粒径约500海里。从图1 (b),可以看出纯Bi₂SiO₅样品展示密实平板微观结构。然而,引入铁₃O₄@SiO₂显然改变了Bi的形态和微观结构₂SiO₅(看到的数据1 (c)- - - - - -1 (f))。铁的引入₃O₄@SiO₂Bi的形态₂SiO₅从密实平板与织物结构中空的分层体系结构。进一步的SEM观察表明,空心分层架构是由大量不规则nanosheets独家针织。此外,它也清楚地观察到越来越多的球铁₃O₄@SiO₂纳米粒子表面嵌入空心层次Bi₂SiO₅架构与铁的增加₃O₄@SiO₂载荷。层次Bi₂SiO₅架构拥有许多开放的毛孔self-arrangement nanosheets,这可能促进多个入射光的散射,导致一个增强的聚光能力。相信空心层次微观结构的理想材料潜在的应用在光催化过程。

的相结构和样本检查通过粉末x射线衍射分析和图所示2。对图1(一),所有衍射峰铁可以被索引₃O₄阶段(JCPDS数量15 - 7609)。图2(b-f)描述了XRD的有限元模式₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料具有不同数量的铁₃O₄@SiO₂。如图2(b-f),所有衍射峰可以完全索引Bi的正方阶段₂SiO₅(JCPDS 36 - 0288)。没有铁的衍射峰₃O₄被检测到,这可能是归因于公司的Bi的磁核吗₂SiO₅微观结构。

产品的组成和结构也由红外(IR)光谱。如图3,典型的Fe-O拉伸乐队在584厘米⁻¹可以发现在所有样本,表明存在复合材料的磁芯。的铁₃O₄@SiO₂示例表明,弯曲,对称和非对称伸缩振动Si-O-Si 482厘米⁻¹,790厘米⁻¹,1083厘米⁻¹,分别。此外,乐队由振动Si-O约1224厘米⁻¹(17也可以观察到在菲₃O₄@SiO₂样本。这一结果表明,铁₃O₄微球被SiO包裹₂。此外,Bi的特征带₂SiO₅可以从红外光谱观察铁吗₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合,如Bi-O-Si振动在894厘米⁻¹和1020厘米⁻¹起源于(SiO₅)⁶⁻。不过,菲₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料仍然具有丰富的表面地债券位于1637厘米⁻¹,从而提高光催化活性由于-哦为氧气提供大容量吸附(18]。

铁的光学特性₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅分层纳米结构也研究了紫外可见DRS。作为比较,Bi的光谱₂SiO₅和TiO₂也被测量。如图4Bi的强烈吸收₂SiO₅在紫外光区域是TiO的相似₂,这表明,Bi₂SiO₅可以作为一种有效的光催化剂降解多种污染物(7,19]。值得注意的是,铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料表现出较强的吸收在可见光区域,相比与样本Bi₂SiO₅。铁的质量分数的增加₃O₄@SiO₂可见光的吸收强度地区变得更强,可以归因于磁芯产品介绍。显然,强烈的吸收在可见光区域有利于提高太阳光的利用率。

3.1。光催化活性分析

样品的光催化性能和测量模拟太阳能灯的照射之下。从图可以看出5,Bi₂SiO₅和菲₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料表现出更好的催化活性模拟太阳能灯的照射下,比P25。然而,和铁的活性₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料不单调增加铁的增加₃O₄@SiO₂内容。bso - 0.2示例显示最好的光催化活性,和辐照后的光降解率可以达到65%为120分钟。高铁催化活性的提高₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料在模拟太阳光线照射可以归因于(1)铁的引入₃O₄@SiO₂光谱响应范围的扩大和(2)空心层次结构可以促进多个入射光的散射,导致一个增强的聚光能力。

铁的稳定性和磁性可恢复性₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料也被调查。磁性测试执行如图中恢复6。如图6(一),菲₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合分散在水溶液中很容易恢复由外部磁场。这个结果表明铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料磁可恢复的。此外,回收利用bso - 0.2的光降解实验由于其高的活动。样品是由外部磁场想起每次循环。从图可以看出6 (b)光催化剂的光催化活性并没有表现出明显的五轮后损失的活动。结果表明,铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合光催化过程中具有良好的耐久性。

4所示。结论

总之,空心层次铁₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料与磁性可恢复性通过简单的水热法已经成功地准备。菲₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅复合材料显示高催化活性在模拟太阳光线照射下,相比与纯粹的Bi₂SiO₅和P25。高铁的光催化性能₃O₄@SiO₂/ Bi₂SiO₅可以归因于强劲的光吸收和聚光效率高的中空的层次结构。此外,合成磁性复合材料由外部磁场可以恢复,可以提高光催化剂的分离效率在废水处理。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号21476033)和优秀人才培养计划的辽宁省科学技术厅(没有。201402610)。

引用

1. x r . s . k . y . Wang Li Xing et al .,“自组装3 d像花的层次铁₃O₄@Bi₂O₃核壳结构和其在可见光下,增强光催化活性”Chemistry-A欧洲杂志,17卷,不。17日,第4808 - 4802页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. X.-L。盾,X.-Y。谅解备忘录,H.-C。马et al .,”CdS-TiO的准备₂/铁₃O₄光催化剂及其光催化性质,”溶胶-凝胶科学与技术杂志》上,卷66,不。2、231 - 237年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. j·h·r·g . Chen Bi, l .吴和傅x z z h . Li斜方晶系的Bi₂地理₅纳米带:合成、表征、光催化性质,“晶体生长与设计,9卷,不。4、1775 - 1779年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. j·j·h·Bi l . Wu, z h . Li x x, x和z傅,“简单solvothermal路线合成纳米晶体Bi₂MoO₆催化剂具有不同的形态。”Acta Materialia,55卷,不。14日,第4705 - 4699页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. x赵瞿j . h, h·j·刘,和c·胡Photoelectrocatalytic退化triazine-containing偶氮染料γbi₂MoO₆可见光照射下膜电极(λ> 420海里),”环境科学与技术第41卷。。19日,6802 - 6807年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. x y y, j . p . Liu t·黄和g . y . Li Bi的“水热合成₂我们₆制服分级微球。”晶体生长与设计,7卷,不。7,1350 - 1355年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j·h·r·g . Chen Bi, l .吴w . j . Wang和傅x z z h . Li摘要报道了“小说Bi的水热合成及光催化性能₂SiO₅nanosheets。”无机化学,48卷,不。19日,9072 - 9076年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 美国地理、f . Goutenoire和p . Lacorre”硅酸铋Bi镧的晶体结构_2−x拉_xSiO₅(x 0.1∼)。”固态化学杂志》上卷,179年,第4028 - 4020页,2006年。视图:谷歌学术搜索
9. y侯,l .吴x, z叮,z,和傅x光催化的性能α- - - - - -,β- - - - - -,γ-Ga2O3毁灭的挥发性芳香污染物在空气中,“催化学报,卷250,不。1、12 - 18,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. z n . b .杰克逊,c . m . Wang罗et al .,”TiO的附件₂中空玻璃微粉:TiO的活动₂涂层的珠子photoassisted乙醇氧化为乙醛,”电化学学会》杂志上,卷138,不。12日,第3664 - 3660页,1991年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. r·l·波佐·m·a . Baltanas a . e .卡萨诺,“支持氧化钛光催化剂在水净化:状态的艺术,“今天的催化,39卷,不。3、219 - 231年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. m . Bideau b . Claudel c . Dubien l·福尔和h . Kazouan”“固定”的二氧化钛光催化氧化的水域,“光化学与光:化学》期刊上,卷91,不。2、137 - 144年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. y . t . t . f .焦y z . Liu吴et al .,“简单和可伸缩的制备石墨烯氧化物磁混合动力车的快速和高效的有机染料,”科学报告卷,5篇文章ID 12451, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 焦t·f·w . Wang,问:r . Zhang et al .,“水热合成等级核壳锰氧化物纳米复合材料作为废水处理的高效的染料吸附剂,”RSC提前,5卷,不。69年,第56285 - 56279页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 李问:元,n . w . c .耿y . x, x t·李,“准备的磁可回收的铁₃O₄@SiO₂@meso-TiO₂纳米复合材料增强的光催化能力。”材料研究公告卷,47号9日,第2402 - 2396页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. z . k . j . Liu,黄懿慧邓et al .,“高水分散不会引起排斥的磁铁矿颗粒细胞毒性较低的稳定的柠檬酸组”《应用化学国际版,48卷,不。32岁,5875 - 5879年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 问:高,f·h·陈,j·l . Zhang et al .,“小说铁的研究₃O₄@γ菲₂O₃核/壳纳米材料具有改进的属性。”磁学和磁性材料》杂志上,卷321,不。8,1052 - 1057年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. x z . Liu, h .傅x,和k·杨,“embedded-silica对微观结构的影响和二氧化钛光催化活性的由ultrasound-assisted水解”应用催化B:环境,52卷,不。1,33-40,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 刘h·w·d·j·杨,z . f .郑et al .,”一个高效的光催化剂结构:TiO₂(B)与shell的锐钛矿纳米晶体,纳米纤维”美国化学学会杂志》上,卷131,不。49岁,17885 - 17893年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2015鑫鑫Zhang et al。这是一个开放的访问分布在条知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。